水刀技术作为现代工业清洗、切割、破碎等领域的重要工艺，其核心在于高压水射流的形成与控制。一套完整的水射流系统由高压发生器、控制阀组、喷头喷嘴及密封系统等关键部件组成，各部件之间相互依存、相互制约。本文基于多篇技术文档，系统梳理水射流系统中的关键技术，包括高压发生器、各类阀门、喷头喷嘴、旋转密封等，旨在为工程设计与应用提供理论支持与技术参考。

一、高压水发生设备

1.1 高压泵的型式与结构

高压水发生设备主要包括往复泵和增压器两大类。根据结构形式，可分为立式泵和卧式泵。

立式泵：柱塞垂直运动，密封不承受柱塞自重，阀组垂直布置，导向性好。但其重心高，运行稳定性差，适用于中低压场合。

卧式泵：柱塞水平布置，运行平稳，拆装方便，适用于高压乃至超高压工况。典型结构包括曲柄连杆传动、齿轮减速箱等，功率可达220kW，压力可达200MPa。通常控制在0.15m/s，泵速为80~100次/min，以降低密封磨损与热负荷。

1.2 增压器

增压器是将低压液压能转换为超高压水能的关键设备，其工作原理基于面积比（增压比）实现压力放大。双作用式增压器通过两个反向柱塞实现连续排液，但仍存在压力脉动问题。为解决此问题，系统中常配置超高压蓄能器，将压力波动控制在5%以内。

增压器材料需具备高强度、抗疲劳、防锈等特性，常用材料包括Cr-Ni-Mo系高强钢，经电渣重熔、真空冶炼等工艺提升纯净度与韧性。

1.3 自增强处理工艺

为提高超高压缸体的承载能力与疲劳寿命，常采用自增强处理工艺。该工艺通过施加超过工作压力的液压载荷，使缸体内壁发生塑性变形，卸压后形成残余压应力，从而提高其弹性承载能力与抗疲劳性能。典型工艺包括滚压与水压处理，可将零件寿命提高2~4倍。

二、水射流控制阀组

2.1 安全阀

安全阀是系统的最后一道安全防线，当系统压力超过设定值（高压为1.10~1.25倍，超高压为1.08~1.10倍）时自动开启卸压。其结构多为弹簧式锥阀，超高压场合可采用液压或气动强制型安全溢流阀，以提高可靠性。

2.2 调压溢流阀

调压溢流阀通过调节弹簧预紧力控制系统压力，并实现溢流卸荷。常见结构包括直动式与先导式，其中先导阀通过背压控制主阀芯启闭，具有响应快、控制精度高的特点。

2.3 间隙节流调压阀

为解决传统锥形阀在高压下易磨损的问题，间隙节流调压阀采用一段可调长度的间隙配合副实现节流。其优点包括：

流速低，磨损小；

磨损后可继续使用未磨损段，寿命延长数十倍；

结构简单，加工成本低。

缺点是无法自动恒压，需配合锁紧机构防止调节螺杆松动。

2.4 控制阀与喷枪

控制阀分为脚踏控制阀与手持喷枪，其工作原理一致，均通过阀芯动作控制射流启闭。结构上常采用“小阀控制大阀”的设计，如针阀制动锥阀，以减小操作力。

喷枪分为截流型与溢流型：

截流型：扳机开启为射流工况，关闭为溢流状态；

溢流型：扳机开启为溢流，关闭为射流，操作习惯相反但更安全。

为平衡反冲力，大功率喷枪可采用平衡式设计，即在喷管后端增设反向喷嘴。

2.5 超高压阀

超高压阀将控制与溢流功能合二为一，阀芯结构多样，包括锥杆阀芯、钢球阀芯、端部带钻孔阀芯等。为提高密封可靠性，常采用液压或气动驱动，阀杆与阀体之间采用弹性套筒密封。

三、喷头与喷嘴系统

3.1 喷头类型与功能

喷头是由喷嘴、喷头体、密封件及旋转机构组成的集成部件，具备射流形成、旋转、进给、多束喷射等功能。

固定喷头

单孔喷头：结构简单，喷嘴常采用红宝石或蓝宝石制造，密封采用紫铜垫圈，适用于超高压工况。

多孔喷头：适用于大直径管道清洗，喷嘴方向可调，反向射流可推动喷头自进。

旋转喷头：

强制旋转喷头：依靠外部气动、液动或电动驱动，转速可控，适用于垂直管道、容器清洗。

自旋转喷头：依靠偏置喷嘴的反冲扭矩实现旋转，结构简单，操作方便，已形成70MPa、140MPa、280MPa三个压力等级。

3.2 喷嘴型式

喷嘴按形状分为圆柱形、扇形、异形；按孔数分为单孔、多孔；按压力分为低压、高压、超高压。

低压喷嘴（1~几MPa）

空气辅助雾化喷嘴：适用于除尘、喷涂、气体冷却；

扇形喷嘴：射流覆盖面广，适用于清洗、喷涂；

空心锥形喷嘴：适用于气体冷却、喷雾干燥；

实心锥形喷嘴：射流分布均匀，适用于涂装、冷却；

异形喷嘴：如螺旋锥形、多喷嘴喷头，适用于特殊清洗场景。

高压喷嘴：（10~250MPa）

外表面清洗喷嘴：多为圆柱形或扇形，收敛段设计保证射流集束性；

内表面清洗喷嘴：径向尺寸受限，多采用多孔结构，适用于管道清洗；

超高压喷嘴：用于水切割，喷嘴为人造宝石，直径0.08~0.25mm，公差0.006mm。

四、密封技术

4.1 旋转密封

旋转密封是旋转喷头与旋转接头的关键技术，需平衡高压密封与旋转阻力之间的矛盾。常用结构包括：

套筒间隙节流密封：采用高弹性材料（如QBe2.4），内壁设沟槽蓄水形成水膜润滑；

填料密封：适用于低速强制旋转，材料包括PTFE、芳纶纤维、软金属等。

自旋转喷头常采用端面密封结构，将密封件集中在端面，形成标准化易损件。

4.2 往复密封

往复密封是高压泵与增压器的关键，包括填料密封、间隙密封与组合密封。

填料密封：适度的泄漏量有助于润滑与冷却，材料包括PTFE、芳纶纤维等；

间隙密封：依靠精密配合的套筒实现无接触密封，适用于超高压；

组合密封：间隙密封与填料密封结合，既控制泄漏又延长寿命。

4.3 静密封

静密封主要用于高压管路与连接件，常见形式包括：

O形圈密封：自紧性好，高压下需配合挡圈或三角垫使用；

紫铜垫圈：依靠塑性变形实现密封，拆卸后不可复用；

锥面垫与透镜垫：自紧式密封，压力越高密封效果越好。

五、材料与工艺

5.1 高强钢的应用

高压零件常采用Cr-Ni-Mo系高强钢，如38CrNi3MoVA、45CrNiMoA等，通过真空冶炼、电渣重熔等工艺提升纯净度与韧性。热处理工艺包括淬火+回火，表面渗氮或喷涂钨基/镍基合金以提高硬度与耐磨性。

5.2 自增强处理

通过水压或滚压工艺使零件内壁产生塑性变形，形成残余压应力，提高承载能力与疲劳寿命。

5.3 密封材料

金属填料：铝、铜、铅等；

非金属填料：PTFE、芳纶、石墨等；

复合填料：如填充青铜粉的PTFE，兼具自润滑与耐磨性。

六、系统集成与使用维护

6.1 系统配置原则

调压阀与喷枪/控制阀需协调配置，如间隙节流调压阀应配卸荷型喷枪；

多枪作业时需采用双联阀或多联阀，保证各枪独立运作；

超高压系统需配置蓄能器以平抑压力脉动。

6.2 使用与维护

水质要求：pH值接近中性，过滤精度随压力升高而提高（280MPa时不低于5μm）；

喷头选型：根据管道直径、垢层特性选择合适的喷头与喷嘴；

定期维护：如自旋转喷头需定期加注黏性限速流体，密封件需定期更换。

        水射流技术是一门集机械设计、材料科学、流体力学于一体的综合性技术。其核心在于高压水射流的形成、控制与有效利用。从高压发生器到喷头喷嘴，从控制阀组到密封系统，每一环节的设计与制造水平都直接影响整个系统的性能与可靠性。未来，随着新材料、新工艺与智能控制技术的发展，水刀技术将在更广泛的工业领域中发挥重要作用。